Центральный институт авиационного
моторостроения имени П.И. Баранова
Rus
Испытания сегодня и завтра

Испытания сегодня и завтра

12 Января 2018

В авиации первостепенным является требование надежной работы двигателя летательного аппарата. Единственный способ убедиться в том, что все заложенные при проектировании параметры достигнуты, – это провести комплекс испытаний. Подвергая работающий двигатель воздействию различных факторов в условиях, приближенных к полетным, можно получить качественные и количественные характеристики свойств объекта испытаний.
О роли Научно-испытательного центра Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») в решении задач по научному обеспечению разработки новых и сопровождению находящихся в эксплуатации авиационных двигателей, о том, как развивается в Институте направление испытаний, какие виды из них считаются наиболее сложными и почему, рассказывает заместитель генерального директора – директор исследовательского центра «Авиационные двигатели» ЦИАМ Виктор Георгиевич Марков.

– Сохраняется ли за Институтом роль единого национального центра испытаний авиадвигателей?

– В 1953 году в подмосковном поселке Тураево был открыт Научно-испытательный центр (НИЦ) ЦИАМ, со временем превратившийся в Национальную экспериментальную базу.
В Советском Союзе проверка высотных характеристик новых моторов осуществлялась лишь эпизодически в высокогорных условиях Памира. Для решения проблемы было принято решение о строительстве в Московской области научно-испытательного комплекса. В 1950 году Специальное технологическое бюро ЦИАМ под руководством А.А. Шевякова завершило проект ЦВУ, в 1953 году началось строительство, но только в 1955 году вступил в строй первый высотный стенд Ц-2, на котором начались испытания двигателя-рекордсмена НК-12.
Важной особенностью НИЦ ЦИАМ изначально был комплексный подход к решению сложных задач испытаний. Сегодня в Научно-испытательном центре для натурных испытаний авиационных двигателей, их узлов и систем действуют 8 стендов. Для испытаний узлов и систем двигателей доступны 50 стендов и установок, более 100 стендов и установок задействованы в испытаниях на конструкционную прочность.
На уникальном комплексе НИЦ ЦИАМ прошли испытания и доводку более 900 отечественных и зарубежных двигателей. Многие виды актуальных испытаний могут быть осуществлены в России только на стендах Научно-испытательного центра ЦИАМ.

 – Как создание ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Институт имени Н.Е. Жуковского» повлияло на работу ЦИАМ?

 – В 2014 году мы вошли в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», который выполняет функцию единого центра управления отечественной наукой в авиационной сфере, и стали уже не столько центром авиадвигателестроения, сколько центром авиационной науки. Сегодня ЦИАМ существует в рамках комплексной структуры, выстраивая свое взаимодействие с авиационными институтами. Надо отметить координацию взаимодействия с институтами, входящими в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», по программе развития экспериментальной базы.

– В чем уникальность экспериментального комплекса ЦИАМ? Какие виды испытаний проводятся в нем?

– Это единственный на всем постсоветском пространстве испытательный комплекс, на котором в высотно-скоростных полетных условиях испытываются почти все двигатели.
Мы располагаем уникальным оборудованием. У нас есть высотно-компрессорная и холодильно-сушительная станция, пушка для стрельбы птицами, огневой стенд для испытаний нужд гражданской авиации. Мы проводим также до 10 видов испытаний, в том числе, не связанных с эксплуатацией высотно-компрессорной станции.

– Расскажите о стендах НИЦ ЦИАМ и их возможностях.

– В последние годы были созданы стенд для экспериментальной отработки модельных биротативных винтовентиляторов малошумных двигателей; установки для квалификационных испытаний новых материалов и исследований деталей и узлов двигателей; стенды для сертификационных испытаний газотурбинных двигателей в условиях обледенения; по проверке чистоты воздуха, отбираемого в систему кондиционирования; на огнестойкость; стенды для сертификационных испытаний на работоспособность двигателей и силовых установок (СУ) летательных аппаратов при попадании птиц и града.
Есть стенд Ц-3А, на котором мы испытываем вентиляторы и их модели в заглушенной камере для исследования шума – с микрофонами, с целой акустической системой. На нем мы оцениваем акустические характеристики работающего вентилятора и компрессора, в передней и задней полусферах.
В программу создания двигателя ПД-35 планируется модернизация стенда для оценки шума, производимого двигателями и выхлопными устройствами. В отделении аэродинамики компрессоров воздушно-реактивных двигателей ЦИАМ работают ведущие в России специалисты в этой области.

– Насколько широк круг организаций, которые пользуются услугами испытательного комплекса ЦИАМ?

– Это и отечественные, и зарубежные организации: китайские, индийские, европейские. Наши заказчики – европейские научные организации, все двигателестроительные фирмы, авиастроительные компании, неавиационные организации. Без комплекса испытаний в ЦИАМ ни один отечественный двигатель не должен допускаться к летным испытаниям. Мы проводим уникальные сертификационные испытания противообледенительных систем двигателя, мотогондолы, крыла, несущего и рулевого винтов вертолетов, по воздействию посторонних предметов на рулевые поверхности, на элементы крыла и фюзеляжа. У нас, например, испытывалось остекление кабины высокоскоростного электропоезда «Сапсан». По желанию заказчика, стекло его кабины расстреливалось птицей и бутылкой шампанского. Для Мосэнерго, например, ЦИАМ проводит испытания установки по синтетическому газу. Нефтеперерабатывающие заводы заказывают у нас испытания по маслам.

– Говорят, у двигателя нет второстепенных деталей. Расскажите о важности узловых испытаний.

– Узловые испытания позволяют собрать из узлов полноценный двигатель, а также определить характеристики узла, его проблемные места и наметить мероприятия по его доводке. Не всегда рационально, а порой технически очень сложно оценить характеристики узла или модуля в составе двигателя.

– Какие виды испытаний представляются Вам наиболее интересными?

– Любые испытания предоставляют информацию, которую нельзя получить расчетным путем, о соответствии расчетных и фактически получаемых характеристик. Каждое испытание имеет свою ценность. Наиболее интересны те виды испытаний, которые требуют использования нетрадиционных методических подходов.

– А как ведется подготовка к испытаниям?

– Подготовка начинается за несколько месяцев до начала испытаний (проектирование и изготовление привязки, обвязки, стыковочные узлы, переходные элементы от стенда к объекту – входной трубопровод, выхлопной трубопровод, рама крепления). Каждый объект требует большого количества продувок. Много времени занимает подготовка к испытаниям на обледенение – требуется большое количество аэродинамических и ледяных калибровок.

– Бывает ли, что заложенные при проектировании параметры не обеспечиваются при испытаниях?

– Почти всегда. Как правило, ни узловыми, ни доводочными испытаниями не удается добиться заданных параметров на начальной стадии отработки.

– В чем причины этого?

– Для проведения испытаний двигатель дополнительно препарируется средствами измерения – это может повлиять на его работу. Иногда причина – проблема разработчика, это некачественная сборка двигателя или узла. В целом, причин множество, но основные из них – это несовершенство расчетных моделей, отсутствие материалов с заданными свойствами, отсутствие достаточного научно-технического задела, отклонения в технологии изготовления и сборки.

– В последнее время в мире большое внимание уделяется климатическим испытаниям. Как это направление развивается в ЦИАМ?

– Климатические – это традиционные испытания, которые проводятся в НИЦ ЦИАМ. Возможности наших стендов позволяют проводить испытания в широком диапазоне условий – от арктических до тропических, то есть воспроизводить холод, жару, дождь, высокую влажность. Все эти факторы серьезно сказываются на функционировании двигателя в эксплуатации. Особо сложный вид испытаний – испытания в области ледяных кристаллов. Это имитация облака ледяных кристаллов, которая позволяет изучать поведение двигателя в условиях, которым раньше не придавалось особого значения. Мы имеем определенные успехи в данном направлении. Главная сложность этих испытаний заключается в том, что необходимо создать систему, которая позволяет одновременно управлять четырьмя составляющими: концентрацией, размерами, равномерностью ледяных кристаллов и расходом воздуха на высотном стенде.

– Цифровой эксперимент и методы математического моделирования, позволяющие обойтись без дорогостоящих натурных исследований, – это конкуренты или союзники испытательного комплекса ЦИАМ?

– Это, конечно, союзники, поскольку методы математического моделирования и цифровые эксперименты не могут быть применены, пока они не валидированы. Это обязательный элемент подготовки к эксперименту. Необходимо прохождение целого класса исследований, в ходе которых проверяется соответствие результатов математического моделирования данным, полученным в ходе натурных экспериментов и испытаний. Математическое моделирование добавляет нам необходимость дополнительных экспериментальных исследований. В то же время математическое моделирование позволяет на уровне цифрового эксперимента определить наиболее показательные режимы, чтобы сократить общий объем программы испытаний и их продолжительность, т.е., в целом сократить затраты. За счет этого «симбиоза» возникает положительный эффект как для математического моделирования, так и для натурных испытаний.

– У испытательных стендов ЦИАМ сейчас жаркая пора. Проводятся испытания французского двигателя Silvercrest для бизнес-джетов, вот-вот начнутся испытания двигателя ПД-14. Каков график испытаний и как ведется работа одновременно над несколькими задачами?

 – Действительно, в настоящее время закончены инженерные испытания и на обледенение двигателя Silvercrest, систем ПОС лопастей вертолета, начались очередные испытания двигателя ПД-14. График испытаний задан, планируется на неделю и по результатам выполненных работ корректируется ежедневно. Испытания, как правило, по возможности ВКС проводятся последовательно на ряде стендов. Обычно с утра проводятся испытания на одном стенде, после обеда – на другом и т.д. Обязательно выдерживается график «отдыха» стенда и подготовки технологических систем.

– Расскажите о наиболее интересных и важных экспериментальных и испытательных работах, запланированных в будущем.

– Да вот, посмотрите (Улыбается) – у меня на столе лежит список объемом 15 страниц, в котором перечислены все будущие испытания. Все они интересны и необходимы. Их планируют наши заказчики и наши ученые. В числе самых интересных я бы назвал испытания двигателя ПД-14, испытания французского двигателя для бизнес-джетов, тематические работы Института, испытания двигателя для Ил-112.

– Можете ли Вы оценить удельный вес экспериментальных и испытательных работ в деятельности ЦИАМ?

– Удельный вес составляет порядка 50-70% от общей деятельности Института. Практически все научные работы заканчиваются экспериментальными и существуют с ними в неразрывной связи.

– Вопрос о международном сотрудничестве. Кто ваши партнеры?

– Основные наши партнеры – это научные и двигателестроительные организации Китая, Индии, Франции, Бельгии, Швейцарии.

– Насколько гармонизирована отечественная и международная методика испытаний?

– Существует очень большое количество методик и оценок под каждый вид испытаний. Часто они разрабатываются под конкретный объект, в зависимости от его особенностей. Сама процедура сертификации сейчас проходит стадию реформирования, в связи с передачей ряда функций Росавиации. Гармонизация отечественных и зарубежных методик проводится. Более того, она является одним из важных условий большинства испытаний, на которые нам поставляют двигатели. Это в первую очередь соответствие европейским методикам испытаний (в основном, мы сталкиваемся с испытаниями европейских объектов). Россия – одна из немногих стран, которая обладает собственными испытательными стендами и методиками проведения испытаний на них. Безусловно, они соответствуют стандартам, на них выпускаются типовые требования.

– Какой вклад внес ЦИАМ в испытания двигателя ПД-14?

– Основные сертификационные испытания ПД-14 проведены именно в ЦИАМ на нашем высотном стенде. Определены высотно-скоростные характеристики, испытаны системы управления, масляная система в высотных условиях. Сейчас в завершающей стадии находится подготовка к испытаниям двигателя на обледенение и проверку прочности вентилятора в условиях максимального скоростного напора. Проведены испытания двигателя на стойкость корпуса при обрыве рабочей лопатки вентилятора – это одно из основных испытаний, показывающих безопасность эксплуатации двигателя, подтверждающее, что самые опасные последствия разрушения двигателя не повлияют на самолет – не повлекут разрушение крыла, фюзеляжа. Успешно прошли испытания на попадание крупной птицы по лопаткам вентилятора на разгонном стенде ЦИАМ. Проведен огромный объем испытаний по подтверждению ресурса деталей двигателя, обеспечивающих его сертификацию с выдачей экспертного заключения двигателя с достаточно продолжительным ресурсом. Проведены испытания на огнестойкость элементов конструкции двигателя, агрегатов, САУ, масляного бака, электрических, топливных и масляных коммуникаций (соединений, трубопроводов). Естественно, были проведены испытания узлов двигателя, каждый узел был испытан на специальных стендах: камера сгорания, компрессор, турбины высокого и низкого давления. Испытания на автоколебания и обледенение запланированы на 2018 год. Уже проведены испытания по оценке ПОС модели воздухозаборника, элементов двигателя, которые позволили определить режимы, на которых будет проверяться защищенность двигателя от воздействия условий обледенения.
Весь этот цикл этих испытаний в принципе не может быть проведен на базе разработчика двигателя и проводится только в ЦИАМ.

– Одной из главных проблем проекта создания двигателя большой тяги ПД-35 является отсутствие в стране стендовой базы для испытаний ТРДД такой размерности. Во времена СССР в ЦИАМ началось создание такого стенда, но это грандиозное строительство так и не было завершено. Планируется ли использовать этот задел? Как в целом в стране намечается решать проблему испытательной базы для ПД-35?

– Задел, созданный во времена СССР по стенду для двигателя большой тяги, планируется использовать с целью создания стенда для высокоскоростных двигателей. Что касается необходимого объема недостающей испытательной базы для ПД-35, то сейчас только составляется список стендов, оценивается их стоимость, определяются оптимальные места размещения. Мы отстаиваем позицию, что их необходимо размещать в Научно-испытательном центре (НИЦ) ЦИАМ в Тураево, где наработан опыт по испытаниям нашими инженерами и специалистами и существуют все необходимые для испытаний возможности – от кадровых до инфраструктурных. Окончательное решение пока не принято. Надеемся, что в ближайшее время на уровне Минпромторга России будет принято решение о финансировании капитального строительства на период до 2025 года, в течение которого планируется создать комплекс стендов, которыми в настоящее время Россия не обладает. При этом проблемой являются не только высотные стенды, но и летающие лаборатории. Существующие летающие лаборатории не вполне способны испытывать двигатели с таким большим значением тяги, а прочностные стенды – двигатели такой большой размерности. Узловые стенды так же должны быть созданы под нужды узлов, которые имеют другие размеры. Есть понятие геометрического ограничения – это максимальный размер объекта, который может быть испытан на данном стенде. В этой связи, необходимо либо строить новые, либо модернизировать существующие стенды. Эта проблема может быть решена за счет создания модели узлов – модели вентилятора, который может быть испытан на существующих стендах. Но в целом потребуется создание необходимой стендовой базы.

– Готов ли ЦИАМ к экспериментам с двигателями перспективных схем, включая двигатели со свербольшой степенью двухконтурности, интегрированные с ЛА двигатели?

– Для отработки этих схем мы сегодня нуждаемся в стендах для испытаний редуктора вентилятора. Проектные разработки по этому стенду ведутся. При принятии решения о разработке двигателей такой схемы в России стенд может быть создан.

– Можно ли считать испытания ключевым моментом в создании конкурентоспособных двигателей 6-го поколения?

– Испытания можно считать ключевым моментом в создании двигателей любого поколения. Испытания подводят итог работы конструкторов, выявляют их ошибки. Это процесс, растянутый во времени. Он начинается с испытаний отдельных элементов, моделей, призванных только очертить контур будущего двигателя, продолжается в рамках специальных испытаний и завершается сертификацией типовой конструкции. Испытания сопровождают весь жизненный цикл двигателя вплоть до его списания.

– Проводятся ли в ЦИАМ исследования в интересах авиационной науки?

– Конечно. В основном, они касаются фундаментальных и прикладных исследований, которые близки нам как авиадвигателестроителям. Это исследования аэродинамики и прочности лопаточных машин, физико-химических процессов горения, физико-химического поведения различных веществ в реагирующих газовых потоках и многие другие.
Мы также проводим НИР по гибридным и электрическим силовым установкам. В ходе наших научных исследований прорабатывается вопрос, насколько ЦИАМ и отрасль в целом оснащены стендовой базой для испытания гибридных и электрических силовых установок. У нас достаточно базы, чтобы начинать такие испытания.
Модернизация касается, в основном, подвода и отвода большой электрической мощности на эти стенды и оснащения их источниками водорода и другими газами – например, жидким азотом для охлаждения сверхпроводниковых обмоток.

– Вы не раз коснулись вопроса модернизации испытательного комплекса. Как осуществить ее в условиях постоянной загруженности стендов и какие ресурсы, помимо финансовых, требуются для этого?

– Для решения этой сложной задачи приходится очень тщательно согласовывать «окна» в испытаниях с планами по реконструкции службы главного инженера, использовать время профилактики, создавать дополнительные возможности по дублированию функций стендов, установок и технологического оборудования, планировать различные стенды, способные дополнить или заменить по функционалу реконструируемый стенд, а так же другие возможности.